Ứng xử của đất và tương tác đất - công trình dưới tác dụng của tải trọng động

Hình 2-7: Cách xác định ứng suất cố kết trước từ thí nghiệm nén 1 trục Tỉ lệ giữa ứng suất cố kết trước σc với ứng suất hiệu quả thẳng đứng hiện tại σc σo '' cho ta hệ số quá cố kết, OCR= σo '' . Đất cố kết thường có OCR ≤1 và đất quá cố kết OCR > 1. Độ lớn của OCR tính được cho nhiều loại đất sét mềm nằm trong khoảng từ 1,2 đến 3, trừ lớp vỏ được sấy khô có thể cao hơn nhiều (Terzaghi và nnk., 2006). Có nhiều nguyên nhân đất bị quá cố kết. Có thể hoặc là do sự thay đổi ứng suất tổng ( σ) , hoặc áp lực nước lỗ rỗng thay đổi (uw) hoặc cả hai cùng thay đổi dẫn tới thay đổi '' ứng suất hiệu quả σ V. Biến dạng thể tích không phục hồi khi nén sơ cấp 11 Hình 2-8: Quan hệ ứng suất đẳng hướng hiệu quả và biến dạng thể tích Nếu một khối đất với thể tích ban đầu vo ở ứng suất đẳng hướng ban đầu p0 chịu ứng suất đẳng hướng hiệu quả py’ , thì các phân tố đất sẽ tiến lại gần nhau hơn tăng số lượng điểm tiếp xúc và tăng diện tích tiếp xúc. Đất sẽ dần dần cứng lại, tính xốp giảm và biến dạng đều về mọi hướng. Thể tích của đất sẽ là vy . Đất sau đó sẽ được rỡ tải tới trạng thái ứng suất ban đầu p0. Thể tích của khối đất phồng trở lại tới vk nhỏ hơn v0 như trong hình 2-8. Thay đổi thể tích tương đối ( ∆ν = ν 0 −ν k ) được gọi là lượng biến dạng thể tích không phục hồi. Tỉ số giữa ∆ν và νo gọi là biến dạng thể tích không phục hồi được tính bằng phương trình (2.3) (Verruijt,2006). ε vol irr = ∆ν νo (2.3) Thay đổi về thể tích đi liền với thay đổi khối lượng thể tích, độ cứng và độ bền của đất. Những thay đổi như thế phụ thuộc vào cường độ và tỷ lệ tải trọng và vào quá trình chịu tác dụng tải trọng trước đó của đất (lịch sử ứng suất). Trong điều kiện không thoát nước dưới tác dụng của tải trọng phản ứng ngay tức thì của đất là tăng áp lực nước lỗ rỗng. Vì thế sự thay đổi thể tích của đất liên quan tới độ cứng của cả nước lỗ rỗng và hạt đất. VI. Biến dạng không phục hồi do ứng suất cắt 12 Khi đất chịu tác dụng của ứng suất cắt, tại các điểm tiếp xúc giữa các hạt đất lực cắt sẽ tăng lên. Điều này làm cho các hạt đất có xu hướng trượt lên nhau, và vì thế gây ra những biến dạng lớn. Quá trình này gọi là biến dạng cắt. Trong quá trình biến dạng cắt cấu trúc đất không phục hồi lại được sau khi rỡ tải. Vì thế quá trình đất bị cắt được gọi là quá trình biến dạng không phục hồi hay biến dạng vĩnh viễn. Khi tăng cường độ ứng suất cắt thì biến dạng cắt dần dần lớn hơn. Những biến dạng dưới tác dụng của ứng suất cắt thường lớn hơn so với biến dạng do quá trình nén gây ra và độ cứng của đất giảm nhanh chóng. Nhiều thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã được tiến hành để làm rõ trạng thái của đất dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn.Ứng xử của đất không chỉ phụ thuộc vào tần suất của tải trọng mà còn phụ thuộc vào cường độ của tải trọng. Tải trọng càng lớn, biến dạng càng lớn. Biến dạng lớn này dẫn đến ứng xử phi tuyến của đất (Gazetas and stokie, 1991; Mooney và nnk, 2005). Với những biến dạng trung bình và lớn (lớn hơn 10-5) ứng xử phi tuyến tính và không đàn hồi của đất thể hiện càng rõ nét. Bởi vì ở những mức độ biến dạng này các hạt đất được sắp xếp lại trong quá trình tác dụng tải trọng tuần hoàn (Dobry và nnk. 1982, Ng và Dobry, 1994) điều này dẫn tới biến dạng cắt và biến dạng thể tích không phục hồi và dẫn đến sự lún của đất và gia tăng áp lực nước lỗ rỗng ở trong đất bão hòa. Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, ứng suất hiệu quả và độ bền chống cắt giảm. Sự suy giảm độ bền chống cắt khiến đất bão hòa thể hiện tính phi tuyến càng rõ. Hơn nữa, khi cường độ của tải trọng thay đổi thì trạng thái của đất ngày càng phức tạp. VII. Trạng thái ứng suất, biến dạng phụ thuộc vào điều kiện thoát nước của đất Khi tác dụng ứng suất lên khối đất bão hòa thì ứng suất tổng tác dụng ( σ ) sẽ được cân bằng bởi 2 thành phần ứng suất bên trong: áp suất nước lỗ rỗng u w và ứng suất hiệu quả σ ’ Nếu tải trọng tác dụng đủ chậm, nước sẽ thoát ra khỏi lỗ rỗng khi ứng suất tổng tăng. Áp suất nước lỗ rỗng ban đầu sẽ không thay đổi và sự thay đổi tải trọng sẽ dẫn tới biến dạng thể tích của đất. Vì áp suất nước lỗ rỗng ban đầu (u wo) không thay đổi vì vậy thay đổi về ứng suất tổng sẽ dẫn tới thay đổi ứng suất hiệu quả. Khi ứng suất hiệu '' quả không đổi ở σ o + ∆σ '' thì thể tích đất cũng không đổi ở ν o − ∆ν . Đặc tính này của 13 đất được gọi là gia tải thoát nước vì tất cả nước lỗ rống thoát ra trong quá trình tác dụng của tải trọng (Atkinson,.1993). Trái lại, nếu tải trọng tác dụng nhanh sẽ không có thời gian để nước lỗ rỗng kịp thoát ra và thể tích không thay đổi. Nếu tải trọng đẳng hướng, không có ứng suất cắt và đất không thoát nước (thể tích không đổi) thì không có hiện tượng biến dạng xảy ra với đất. Vì thế, ứng suất hiệu quả không đổi ∆σ '' = ∆σ + ∆u w =0 hoặc ∆σ = ∆u w . Điều này có nghĩa áp suất nước lỗ rỗng tăng do ứng suất tăng gây ra áp suất nước lỗ rỗng dư ∆ u uw. Áp suất nước lỗ rỗng ở cuối quá trình tác dụng tải trọng là uw=uwo+ ∆ w . Đặc tính này của đất gọi là gia tải không thoát nước vì nước không thoát ra ngoài trong suốt quá trình gia tải. Điểm quan trọng nhất của đặc tính gia tải không thoát nước là thể tích không thay đổi (Atkinson,.1993). Áp suất nước lỗ rỗng dư sẽ dẫn tới hình thành dòng thấm trong đất và theo thời gian thể tích sẽ thay đổi do sự tiêu tán của áp suất nước lỗ rỗng. Tốc độ thay đổi thể tích sẽ giảm khi áp suất nước lỗ rỗng dư giảm. Hiện tượng này gây ra sự thay đổi về ứng suất hiệu quả trong đất. VIII. Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng do tải trọng động Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng trong đất bão hòa trong quá trình tác dụng của tải trọng động ở điều kiện không thoát nước thường được cho là do ứng suất cắt và biến dạng cắt được sinh ra bởi sự lan truyền của sóng cắt, mặc dù các dạng khác của sóng địa chấn cũng tồn tại trong đất (Seed., 1979). Trong điều kiện không thoát nước, tải trọng được chuyển từ các hạt đất sang nước lỗ rỗng (không bị nén) gây ra áp suất nước lỗ rỗng dư. Áp suất nước lỗ rỗng dư gia tăng dẫn tới việc giảm ứng suất hiệu quả trong đất vì thế ứng suất hiệu quả giảm do sự phát sinh của áp suất nước lỗ rỗng dư khiến độ bền chống cắt của đất giảm. Dobry (1985) đã chỉ ra sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng phụ thuộc vào biến dạng cắt và chu kỳ tác dụng của tải trọng. Kết quả cho thấy khi biến dạng cắt nhỏ hơn giá trị giới hạn (~0.01 %) thì áp suất nước lỗ rỗng dư sẽ không hình thành. Áp suất nước lỗ rỗng phát triển mạnh hơn khi biến dạng lớn hơn 0.3% và tải trọng có chu kỳ lớn hơn 10. IX. Đặc tính chảy của đất 14 Một đặc điểm khác của đất là tính chảy, được Reynolds (1885) lần đầu tiên nói tới. Sự chảy là thay đổi về thể tích của đất liên quan tới quá trình đất bị biến dạng cắt hoặc sự thay đổi về áp suất nước lỗ rỗng trong đất (Vermeer,.1970). Thông thường, khi các hạt đất sắp xếp lại thì sẽ dẫn tới những thay đổi về thể tích của đất (Wood, 2004). Một tham số để đặc trưng cho tính chảy của đất là góc chảy ψ . Tham số này được Bent Hansen (1958) đưa ra và là tỷ số giữa biến dạng thể tích với biến dạng cắt. Đặc tính chảy có ở tất cả các loại đất hạt thô. Ở đất chặt, nếu tác dụng ứng suất cắt, vị trí tương đối của các hạt sẽ thay đổi và tổng thể tích của đất sẽ tăng. Với đất xốp, ứng suất cắt sẽ làm giảm thể tích đất. Hiện tượng chảy có thể gây ra những tác dụng không lường trước, đặc biệt khi đất bão hòa. Xu hướng giảm thể tích trong một khoảng thời gian ngắn có thể gây ra sự gia tăng lớn áp suất nước lỗ rỗng làm cho các hạt cát có thể bắt đầu nổi trong nước. Hiện tượng này gọi là hiện tượng hóa lỏng. Với đất, góc chảy thường nhỏ hơn nhiều so với góc ma sát trong. Dưới tác dụng của tải trọng lặp, đặc tính này của đất không xảy ra khi biến dạng cực nhỏ và trung bình. Nó bắt đầu xuất hiện khi độ lớn của biến dạng cắt tăng trên mức 10-4 đến 10-3 (Ishihara,1996). Hình 2-9 minh họa cho tính chảy của đất do sự dịch chuyển của cát xốp và cát chặt. 15 Hình 2-9: Sự dịch chuyển của cát xốp (a) và cát chặt (b), quan hệ dịch chuyển của cát xốp và cát chặt (c) X. Trạng thái ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào thời gian và tốc độ tác dụng tải trọng Một đặc tính quan trọng của đất là trạng thái ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào thời gian và tốc độ tác dụng tải trọng. Các thí nghiệm đã cho thấy sự biến dạng của đất phụ thuộc nhiều vào tốc độ tác dụng của tải trọng. Khả năng chống lại sự biến dạng và độ bền của đất tăng khi tốc độ gia tải và thời gian đến khi xảy ra phá hoại tăng. Biến dạng do sự tiêu tán của áp suất nước lỗ rỗng dư, mà sự tiêu tán của áp suất nước lỗ rỗng dư thường cần nhiều thời gian để tiêu tan. Vì thế biến dạng của đất không chỉ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất, điều kiện thoát nước mà còn phụ thuộc vào thời gian. 16